מהו החומר האפל? האם הוא קיים?
פרופסור אשר יהלום מטיל ספק בקיום החומר האפל – וזאת בהתאם לתורתו של איינשטיין
עבודתו של פרופ' אשר יהלום, פיזיקאי, סגן דקן הפקולטה להנדסה באוניברסיטת אריאל, שנכתבה עבור הקרן למחקרי כבידה Gravity Research Foundation) זכתה בציון לשבח.
הקרן למחקרי כבידה הינה ארגון חשוב לחקר הגרביטציה ובתחרות זו משתתפים טובי הפרופסורים בעולם. לדוגמא, פרופסור סטיבן הוקינג זכה במקומות שונים בתחרות זאת.
העבודה שכתב מטילה ספק בקיום החומר האפל. בעבודה זו משתתפת גם מיכל וגמן, מתרגלת ודוקטורנטית באוני' אריאל שכותבת את עבודת הדוקטורט בהנחייתם של פרופסור לורנץ הורביץ, דוקטור מרסלו שיפר ופרופסור יהלום.
כיום מקובל לחשוב, שהרכב היקום הוא רק 5% חומר נראה והשאר הינו 27% חומר אפל ו-68% אנרגיה אפלה. המילה אפלה מרמזת על כך שלא ידוע דבר על ישויות אלו, למעט ההשפעה הכבידתית שלהם וזאת למרות ניסיונות חוזרים ונשנים לגלות אותם בניסויים שכשלו.
לרגל פרסום התיאוריה החלטתי לראיין את פרופסור יהלום, ולנסות קצת להבין את תוצאת המחקר שלו.
מהו החומר האפל?
החומר האפל זה מעין חומר סתימה ואסביר באיזה מובן. יש כל מיני תצפיות אסטרונומיות, החל מהתצפיות המוקדמות של האסטרונום צויקי (F. Zwicky) בשנות ה- 30 – הוא העלה השערה שכדי להסביר דינמיקה של גלקסיות וצבירי גלקסיות – צריך כנראה יותר חומר. זו הייתה המסקנה שלו וזוהי התיאוריה הרווחת היום. זה חומר שאיננו רואים אותו מסיבות כאלה ואחרות.
למה הכוונה דינמיקות?
אם אני רוצה להסביר את מסלול כדור הארץ מסביב לשמש, אני צריך לדעת מה המסה של השמש ואת המיקום והמהירות של הכדור באיזושהי נקודת זמן ואז עקרונית אני יכול לחשב את מסלול כדור הארץ מסביב לשמש לנצח.
אם אגדיל את המסה של השמש, המסלול יהיה שונה. ואותו דבר יקרה אם אפחית את המסה שלה, כי צורת המסלול קשורה לגרביטציה, וגרביטציה קשורה לכמות המסה שיש.
זויקי עשה חישוב מסובך יותר שקשור בכמה גלקסיות הנעות בתוך קבוצה משותפת, וזה לא התאים לחשבון לפי התיאוריה של ניוטון, ולכן אמר שאולי יש עוד מסה שהוא לא רואה (החומר האפל). קצת שכחו מהסיפור הזה עד לשנות ה- 70.
בשנות ה-70, האסטרונומית ורה רובין עבדה עם האסטרונום פורד וחוקרים נוספים והם הסתכלו על המהירות של גז בגלקסיות.
צריך להבין שהגלקסיות מתרחקות מאיתנו בגלל אפקט ההתפשטות של היקום. אחרי שמחסרים את המהירות המשותפת הזו של כל החלקים בגלקסיה רואים שההפרש אינו אפס. כלומר יש בגלקסיה חלקים שונים הנעים במהירות שונה. זוהי מהירות סיבוב – חלקים שונים בגלקסיה מסתובבים מסביב למרכז הגלקסיה.
מניחים שיש קשר בין כמות האור המגיעה לגלקסיה לבין כמות המסה שיש בגלקסיה.
ורה רובין ערכה את החישוב, וראתה שזה לא מסתדר – מה שאנו מצפים ממהירות סיבוב של הגלקסיה (הגז והכוכבים) הפועלת לפי החוקים של ניוטון, זה שהמהירות הזו תקטן לאחר מרחק מסויים ותמשיך לרדת פרופורציונאלית למרחק. ההתנהגות של המהירות לא הייתה כמצופה, ואז העלו את ההשערה שגם בגלקסיות יש חומר שלא רואים אותו – חומר אפל, והוא זה שגורם לגלקסיות להסתובב במהירות כמו שאנו רואים.
יש בגלקסיה חומר רגיל – חומר בריוני וחומר אפל, שאיננו יודעים מהו והוא זה שגורם לגלקסיות להסתובב כמו שהן מסתובבות. רובין ביצעה תצפיות בכמה גלקסיות, וזו תופעה החוזרת על עצמה.
נשאלה השאלה מהו החומר האפל והאם הוא באמת אפל, או שאולי איננו מבינים איך מתנהגים כוחות המשיכה בגלקסיות?
היו כל מיני מחשבות, אחת מהן הייתה מחשבה של פרופ' מרדכי מילגרם ממכון ויצמן, שפיתח מודל שנקרא " modify nyutonion dynamics – הוא עשה שינוי בחוקי הגרביטציה ולטענתו חוקי הגרביטציה מתנהגים אחרת בתאוצות קטנות המתקבלות במרחקים עצומים. כשרחוק התאוצה נמוכה, ואז צריך לתקן את חוקי הגרביטציה, ואין צורך להשתמש במודל של חומר אפל. החיסרון זה שהתיאוריה שלו לא מתיישבת עם תורת היחסות הכללית.
בשנים האחרונות הצגתי רעיון אחר והוא שצריך לקחת בחשבון את זמן השיהוי – דהיינו כמה לוקח לכוח גרביטציוני להתקדם ממרכז הגלקסיה או מקום אחר בגלקסיה אל נקודה אחרת שעליה הוא משפיע – וצריך לקחת בחשבון שהמסה של הגלקסיה עוברת שינוי.
הצלחתי להראות, והסטודנטים שלי עשו זאת במספר גלקסיות – שבעזרת ההסבר הזה אנו מקבלים את מהירויות הסיבוב הנכונות בגלקסיה גם במרחקים גדולים.
יש להסבר הזה 2 יתרונות מובהקים – היתרון הראשון הוא שלא צריך להניח התקיימות חומר אפל. ולא צריך לשנות את חוקי הגרביטציה, דהיינו המודל שלי מתיישב היטב עם תורת היחסות הכללית של איינשטיין.
אסביר את ענין השיהוי – איינשטיין פרסם ב- 1905 את תורת היחסות הפרטית. אחד הדברים החשובים שבה הוא שאין שום דבר שיכול להתקדם מהר יותר ממהירות האור, וזה כולל את כל השדות האפשריים וכל עצם אפשרי. היתה בעיה אחת עם זה – הבעיה היתה תורת הגרביטציה של ניוטון מהמאה ה- 17, אשר גרסה שבניגוד לדברים אחרים כוח הגרביטציה נע במהירות אינסופית. כלומר ברגע שאני משנה משהו באיזושהי נקודה (למשל אם הפחתתי 5 קילו ממסת השמש), זה משפיע מיד על מסלול כדור הארץ, ללא שום שיהוי.
ולא לוקח זמן לזה להגיע?
זה מה שניוטון חשב. כמובן שזה לא מתיישב עם עקרונות תורת היחסות הפרטית, הגורסת שלכל דבר לוקח זמן. למשל אם אני מדליק מנורה, לוקח זמן עד שהאור מגיע לעין.
זה מאוד הפריע לאיינשטיין, אז הוא פיתח תיאוריה חדשה של גרביטציה, שנקראת תורת היחסות הכללית.
תורת היחסות הכללית הוכחה בצורה תצפיתית כבר ב- 1918 ע"י פיסיקאי אנגלי בשם אדינגטון. אדינגטון נסע לדרום אמריקה בשעת ליקוי חמה, והוא הראה את אחת התוצאות של תורת היחסות הכללית, והיא שהגרביטציה גם מעוותת לא רק מסלולים של גופים חומריים אלא גם את התנועה של קרני אור בעזרת רעיון תצפיתי מבריק. הוא הראה שאיינשטיין אכן צדק, וזה גרם לקהילייה המדעית לקבל את תורת היחסות הכללית.
חשוב להבין שתורת היחסות נבנתה כך שהיא לוקחת מראש את נושא השיהוי כיסוד התיאוריה הזו, ולמעשה ניתן להשתמש בה כדי לקבל את "אפקט החומר האפל" בצורה יחסית פשוטה.
ניתן להסביר את החומר האפל אם לוקחים בחשבון את שיהוי הגרביטציה ואם לוקחים בחשבון את שינוי המסה הגלקטית.
הטלת ספק בקיום החומר האפל – ריאיון עם פרופ' אשר יהלום
אז יש חומר אפל או לא?
לדעתי אין חומר אפל. אנשים שניסו להסביר את מהירויות הגלקסיות ע"י פיסיקה ניוטונית, שאינה כוללת את אפקט השיהוי, הוסיפו את החומר האפל כדי להסביר את התצפיות. אבל אם מתייחסים לתיאוריה של תורת היחסות הכללית ברצינות, אז קיים אפקט שיהוי וניתן באמצעותו להסביר את מהירויות הסיבוב בגלקסיות, וזה אומר שלא היינו צריכים את החומר האפל מלכתחילה.
ואיך ניתן לראות או להוכיח את זה? כי הכל כל כך רחוק
אנו פועלים במספר ערוצים – אנו בודקים גלקסיות ומנסים להראות שאפשר להסביר את מהירויות הסיבוב שם באותו מודל שיהוי מדובר. הצלחנו לעשות זאת בכ 20 גלקסיות.
יש גם חוקים כלליים הקשורים לגלקסיות – למשל חוק טולי פישר – האומר שמהירות הסיבוב (שנעשית שטוחה, כלומר אינה משתנה לאורך מרחקים מסוימים), פרופורציונאלית למסה של הגלקסיה, והיחס הוא כמו המהירות ברביעית, דהיינו מסת הגלקסיה פרופורציונאלית למהירות ברביעית.
אתם עורכים תצפיות עם טלסקופים?
האסטרונומים כן. אנחנו לוקחים נתונים המפורסמים ברשת ובמאמרים ומשלבים אותם בתיאוריה שלנו ובודקים אם זה מסתדר או לא. אנחנו תיאורטיקנים.
סליחה על השאלה אבל למה חשובה מהירות הגלקסיות?
כי אנו תמיד רוצים לדעת שיש לנו מידע מלא ושלם על חוקי היקום. גרביטציה היא חוק חשוב והנושא של חומר אפל למשל הוא מטריד, במובן הזה שהוא מראה לכאורה שהידע שלנו על חוקי הטבע והגרביטציה אינו מלא. זו חידה המטרידה אנשים מבחינה אינטלקטואלית.
אז כעת יודעים על התיאוריה שלך בקהילה העולמית?
אני חושב שהתחילו לדעת, יש לפחות 3 מאמרים על הנושא המצויים ברשת. זכיתי בפרס קטן מטעת הקרן למחקרי כבידה ועוד היד נטויה. יש לי דוקטורנטית בשל מיכל וגמן העובדת קשה על הנושא.
איך הגעת להיות פיזיקאי דווקא?
סקרנות בעיקר, רצון להבין איך העולם פועל, ממה הוא מורכב, למה הוא פועל דווקא כמו שהוא פועל ולא אחרת. שאלות מהסוג הזה.
אתה סבור שיש חיים על כוכבים אחרים?
אני לא ממש יודע לתת לך תשובה. היום יש יותר ויותר תצפיות של כוכבי לכת. חיים מהסוג שאנחנו מכירים דורשים מספר תנאים – אנו חיים על כוכב לכת (כדור הארץ), אנו צריכים טמפרטורה מסוימת, כלומר אנחנו צריכים להיות לא יותר מידי קרובים לשמש ולא רחוקים מדי כדי שלא יהיה קר, זה צריך להיות מקום מדויק יחסית במרחק. יש כמובן ענין של היסודות והתרכובות שאנו צריכים – פחמן, מים, ברזל, כך שישנם כל מיני תנאים שאנו סבורים שהחיים צריכים, וכל אלה צריכים להתקיים.
לכאורה נראה שאלו תנאים מגבילים שהם נדירים מאד, אך מצד שני בגלקסיות יש מיליארדי כוכבים ולרבים מהם יש כוכבי לכת, וביקום כולו יש מיליארדים של גלאקסיות, אז המספרים הם אדירים ואנו שואלים את עצמנו האם יש בעוד מקום חיים? אז יש סיכוי שכן. מצד אחד יש הרבה מאוד תנאים שצריכים להתקיים ומצד שני יש הרבה אפשרויות שהתנאים האלה יתקיימו.
לסיום מה החלום שלך?
בודאי שאחד החלומות הוא שנשלים בצורה משביעת רצון את תיאורית השיהוי על כל היבטיה ונוכיח אותה מעבר לספק סביר. זו המטרה בטווח הנראה לעין. ויש עוד שאלות רבות הממשיכות להטריד, למשל השאלה המאוד מטרידה: מהו חומר? למה בנקודה מסוימת במרחב הזמן אנו אומרים שיש חלקיק אלמנטרי ובנקודה אחרת אין?
הכוונה שיש אויר בנקודה הזו?
אויר זה חומר. רוב היקום הוא ריק.
